电子称重系统设计.docx

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电子称重系统设计

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本课题意义及现状、需解决的问题和拟采用的解决方案

电子秤是科学研究、工业生产和人民生活必需的计量器具，设计智能化、高精度的电子秤具有较高的现实意义。

随着时代科技的迅猛发展，微电子学和计算机等现代电子技术的成就给传统的电子测量与仪器带来了巨大的冲击和革命性的影响。

常规的仪器表和控制装置被更先进的智能仪器所取代，使得传统的电子仪器在功能、精度及自动化水平方面发生巨大变化。

总的设计流程是：

传感器——>放大电路——>量程转换电路——>A/D转换电路——>LCD显示。

工作流程说明：

当物体放在秤盘上时，压力施给传感器，该传感器发生形变，从而使阻抗发生变化，同时使用激励电压发生变化，输出一个变化的模拟信号。

该信号经放大电路放大输出到模数转换器。

转换成便于处理的数字信号输出到CPU运算控制。

CPU根据键盘命令以及程序将这种结果输出到显示器。

直至显示这种结果。

做为重要测量仪器，智能电子秤在各行各业开始显示其测量准确，测量速度快，易于实时测量和监控的巨大优势，并开始逐渐取代传统的机械杠杆测量秤成为测量领域的主流产品。

课题摘要

随着微电子技术在新世纪的快速发展，市场上使用的传统称重工具已经完全不能满足人们的需求。

多年来，人们一直期待测量准确、体积小巧、显示直观、价格低廉的电子秤能够投放到市场上。

电子秤便应运而生。

电子秤凭借着传统称重工具不可代替的功能，例如称量方便，准确度高，自动化控制，操作简单，广泛的运用于人们生活，工业生产，科学研究中。

本电子计价秤设计基于STC89C52单片机，量程为0～2000千克。

将桥式电阻应变式传感器输出的电压，利用HX711内置放大电路，24位高速A/D转换器，转换为相应的数字信号，通过系统软件处理，在LCD12864液晶显示屏上显示所称得的重量。

通过以上叙述，本次设计的电子秤在保证称量精度的同时，还要使其小巧化、价格低廉化，也因这些优点，相信其会得到大众的青睐。

关键词：

电子秤传感器单片机STC89C52

在我们生活中经常都需要测量物体的重量，于是出现了秤。

随着社会科技发展，传统的纯机械结构（如杆秤、磅秤等）秤量装置逐步被淘汰，而电子秤以其准确、快速、方便、显示直观等诸多优点深受人们青睐。

电子秤精度高并降低成本，其发展趋势是小型化、模块化、集成化、智能化，其技术性能趋向是速率高、准确度高、稳定性高、可靠性高，其功能趋向是称重计量的控制信息和非控制信息并重的“智能化”功能，其应用性能趋向于综合性和组合性。

电子秤的称重功能是基于微电脑控制芯片处理器这一核心技术来实现的。

由于目前在设计电子秤系统时大量地采用集成芯片，因此电子秤系统已经摆脱了以往的电子模式，正趋向智能化多元化方向发展。

在此基础上可以实现系统功能的扩展，比如与上位机的通讯，在上位机上利用图形化界面的操作软件实现数据库管理等。

电子秤由于自身的精度高、功能强和使用方便，实际使用的电子秤有较高的性价比，在很多领域完全可以取代那些机械式的称重工具。

在具体开发电子秤的系统时应该根据用户的客观需要，再结合系统硬件和软件，从而可以开发出一套实际使用价值极大的电子秤系统。

目前，随着电子技术的飞速发展，微处理器应用技术的日趋成熟，必将推进基于微处理器为核心的电子秤系统功能的日趋完善，因此多元化智能电子秤具有广泛的应用前景和开发价值！

2整体方案设计

2.1设计任务

1．设计满足性能指标要求的电路，画出原理图。

2．设计PCB并制板。

3．安装调试成功。

4．完成论文写作。

2.2设计要求

本文主要完成一个简单实用数字电子秤的硬件电路部分和软件部分的设计。

在设计的过程学会使用单片机对电子秤的各种功能进行控制。

要求设计电子称重系统，选用电阻应变片作为力传感器，包括测量电路、信号放大电路、信号转换电路和显示电路。

其性能要求是：

1、测量范围在（0-1.99Kg，0-19.99Kg，0-199.99Kg，0-1999Kg）；

2、测量精度为0.5级；

3、非线性误差为1%；

4、自动量程控制电路。

2.3方案选择

单片机以其功能强，体积小，功耗低，易开发等很多优势被广泛应用。

但单片机不是万能的，也存在不适合的场合，我们要充分利用单片机的内部资源和选择合适的单片机来完成我们的设计。

本数字电子秤的设计过程中需要用到A/D转换、键盘、液晶显示、复位电路和蜂鸣器报警驱动电路的知识，同时在软件的设计过程中需要用到键盘扫描、液晶显示驱动、模数转换程序，可以很好的将数电、模电、单片机知识进行综合应用。

在综合应用中进一步熟悉单片机设计的开发各个流程，最终达到"巩固基础、注重设计、培养技能、追求创新、走向实用"目的。

2.3.2方案一

通过称重电桥产出电压信号，经放大电路把信号放大后输入A/D转换芯片进行数据转换，再将得到的数字信号送至单片机进行处理输出显示。

此方案优点是可控制性好，电路简单，原理清晰，采用单片机对采集的数据稍加处理，能通过软件在一定程度上弥补与调试硬件所无法避免的数据抖动，使最终所得的数据更可靠。

其中自动换挡功能采用软件实现。

图1.1方框图一

2.3.3方案二

整个电子秤电路由传感器、放大电路、A/D转换电路、89c52单片机、量程控制电路、键盘和显示电路等7部分组成。

其功能是被测信号经放大整形后送入单片机，由单片机对测量信号进行处理并根据相应的数据关系译码显示出被测物体的重量。

单片机控制适合于功能比较简单的控制系统,而且其具有成本低,功耗低,体积小算术运算功能强,技术成熟等优点。

但其缺点是外围电路比较复杂,编程复杂。

图1.2方框图二

结合上面所讲，鉴于本电子秤的设计并不太复杂，单片机完全能实现所需功能，所以在具体设计时，采用了第二种设计方案。

3硬件电路的设计

数字电子秤采用STC89C52单片机作为微处理器，接口电路由晶振、LCD12864显示电路、4*4按键电路、CD4052B电路、报警电路等组成。

3.1传感器电路设计

传感器的定义：

能感受规定的被测量，并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置。

通常传感器由敏感元件和转换元件组成。

其中敏感元件指传感器中能直接感受被测量的部分，转换部分指传感器中能将敏感元件输出量转换为适于传输和测量的电信号部分。

现代科技的快速发展使人类社会进入了信息时代，在信息时代人们的社会活动将主要依靠对信息资源的开发和获取、传输和处理，而传感器处于自动检测与控制系统之首，是感知获取与检测信息的窗口；传感器处于研究对象与测控系统的接口位置，一切科学研究和生产过程要获取的信息，都要通过它转换为易传输与处理的电信号。

因此，传感器的地位与作用特别重要。

电阻应变式传感器是一种利用电阻应变效应，将各种力学量转换为电信号的结构型传感器。

电阻应变片式电阻应变式传感器的核心元件，其工作原理是基于材料的电阻应变效应，电阻应变片即可单独作为传感器使用，又能作为敏感元件结合弹性元件构成力学量传感器。

导体的电阻随着机械变形而发生变化的现象叫做电阻应变效应。

电阻应变片把机械应变信号转换为△R/R后，由于应变量及相应电阻变化一般都很微小，难以直接精确测量，且不便处理。

因此，要采用转换电路把应变片的△R/R变化转换成电压或电流变化。

其转换电路常用测量电桥。

直流电桥的特点是信号不会受各元件和导线的分布电感及电容的影响，抗干扰能力强，但因机械应变的输出信号小，要求用高增益和高稳定性的放大器放大。

下图为一直流供电的平衡电阻电桥，Ein接直流电源E：

图1.3传感器结构原理图

当电桥输出端接无穷大负载电阻时，可视输出端为开路，此时直流电桥称为电压桥，即只有电压输出。

当忽略电源的内阻时，由分压原理有：

uo=uBD=uAB-uAD

=（1.4）

当满足条件R1R3=R2R4时，即

（1.5）

=0，即电桥平衡。

式（1.5）称平衡条件。

应变片测量电桥在测量前使电桥平衡，从而使测量时电桥输出电压只与应变片感受的应变所引起的电阻变化有关。

若差动工作，即R1=R-△R,R2=R+△R,R3=R-△R，R4=R+△R,按式（1.4），则电桥输出为

（1.6）

应变片式传感器有如下特点：

（1）应用和测量范围广，应变片可制成各种机械量传感器。

（2）分辨力和灵敏度高，精度较高。

（3）结构轻小，对试件影响小，对复杂环境适应性强，可在高温、高压、强磁场等特殊环境中使用，频率响应好。

（4）商品化，使用方便，便于实现远距离、自动化测量。

由于设计要求需要一电阻应变片为传感器，所以我选择的是PLD204D型电子称传感器，量程0~2000kg，精度为0.5%，满量程时误差0.05Kg，完全满足本系统的精度要求。

测力传感器PLD204D参数表图1.7

额定载荷（Emax）

0~2000kg

输出阻抗

350±5Ω

输出灵敏度

1.5±5%mV/V

绝缘电阻

≥5000MΩ/100DC

综合误差

0.05~1%F.S

度补偿范围

-10〜＋50℃

非线性

0.05~1%F.S

工作温度范围

-35~＋65℃

滞后

0.05~1%F.S

安全过载

120%F.S

重复性

0.03~0.05%F.S

极限过载

200%F.S

蠕变（30分钟）

0.05%F.S

推荐激励电压

5-10VDC

零点输出

±2%F.S

最大激励电压

15VDC

零点温度漂移

±0.05%F.S/10℃

防封等级

IP67

温度灵敏度漂移

±0.05%F.S/10℃

电缆尺寸

Φ2.5×3000mm

输入阻抗

385±10Ω

3.2放大电路及A/D转换电路设计

本次放大设计采用HX711芯片，该芯片集成了包括稳压电源、片内时钟振荡器、低噪声可编程放大器。

3.2.1HX711芯片介绍

HX711是一款专为高精度称重传感器而设计的24位A/D转换器芯片。

与同类型其它芯片相比，该芯片集成了包括稳压电源、片内时钟振荡器等其它同类型芯片所需要的外围电路，具有集成度高、响应速度快、抗干扰性强等优点、降低了电子秤的整机成本，提高了整机的性能和可靠性。

该芯片与后端MCU芯片的接口和编程非常简单，所有控制信号由管脚驱动，无需对芯片内部的寄存器编程。

输入选择开关可任意选取通道A或通道B，与其内部的低噪声可编程放大器相连。

通道A的可编程增益为128或64，对应的满额度差分输入信号幅值分别为±20mV或±40mV。

通道B则为固定的64增益，用于系统参数检测。

芯片内提供的稳压电源可以直接向外部传感器和芯片内的A/D转换器提供电源，系统板上无需另外的模拟电源。

芯片内的时钟振荡器不需要任何外接部件。

上电自动复位功能简化了开机的初始化过程。

3.2.2HX711特点

1、两路可选择差分输入。

2、片内低噪声可编程放大器，可选增益为64和128。

3、片内稳压电路可直接向外部传感器和芯片内A/D转换器提供电源。

4、片内时钟振荡器无需任何外接器件，必要时也可使用外接晶振或时钟。

5、上电自动复位电路。

6、简单的数字控制和串口通讯：

所有控制由管脚输入，芯片内寄存器无需编程。

7、可选择10Hz或80Hz的输出数据速率。

8、同步抑制50Hz和60Hz的电源干扰。

9、耗电量（含稳压电源电路）：

典型工作电流：

<1.7mA,断电电流：

<1µA

10、工作电压范围：

2.6~5.5V。

11、工作温度范围：

-20~+85℃。

3.2.3HX711引脚功能

管脚号

名称

性能

描述

1

VSUP

电源

稳压电路供电电源：

2.6-5.5V（不用稳压电路时接AVDD）

2

BASE

模拟输出

稳压电路控制输出（不用稳压电路时为